【電子技術部】

1GHz 超の EMI 測定における測定アンテナのチルト角と EUT テーブルの影響について鶴田

1.

誠、臼井亮（電子技術部電磁環境グループ）

はじめに2020 年のサービス開始を目指している第 5 世代移動通信システムや次世代の車載用ミリ波レーダーシステムを(1) テストボリュームと受信アンテナ間の距離は 3[m](2) 受信アンテナ高は 1[m]に固定する．EUT の高さが始めとする無線システム ・各種コンピュータシステムの高速化・高機能化による電子機器の相互接続などに起因し3[dB]ビーム幅を超える場合は，受信アンテナの高さを掃引た電磁妨害波干渉が発生し易い状況が増加している．
このような背景から電磁両立性 EMC(Electro-Magnetic

EUT の設置しているターンテーブルを回転させて尖頭値と平均値の最大値を記録Compatibility)の重要性が日増しに高まっており，これに伴い測定規格が随時改定されている．

3. 新しい FCC の測定方法の紹介
3.1. 測定方法の概要(ANSI C63.4-2014)電磁妨害波干渉に関連する FCC(ANSI C63.4-2014)が新しく規定されたが，この規定に対する測定データが十分で今回の報告で対象とする新しい FCC (以下，「新しいFCC」を「FCC」と省略する)の測定方法は，図 2に示すとない．加えて，1GHz 超の EUT 用テーブルの影響に関する測定データも十分とは言えない．

おり受信アンテナ高を変化させたときに受信アンテナのメインローブが EUT の指定位置を常に向くように自動的にチルト（仰角）を自動的に制御することが必要となる．
このメインローブが EUT 側を常に向いているために，EMI測定において厳しい条件設定になる場合がある．

本報告では，米国の規格である FCC(連邦通信委員会)と日本国内の自主規制である VCCI(一般財団法人 VCCI 協会)における，1GHz 超の EMI(Electro Magnetic Interference)
測定における測定アンテナのチルト角と EUT(EquipmentUnder Test)用テーブルの影響の違いについて測定した結果及び理論計算により検証した結果に関して報告する．

2.

VCCI による 1GHz 超の測定方法

VCCI による 1GHz 超の測定方法は，次の(1)から(3)のとおりである．図 1(a)(b)に EUT と受信アンテナの配置の関係を示す．

図2 新しい FCC の測定方法(a)EUT の高さが受信アンテナビーム幅内

3.2. アンテナ仰角・偏波切替器
FCC の測定方法に対応するために導入したアンテナ仰角・偏波切替器(EL/VH ポジショナ)を図 3に示す．EL/VH
ポジショナは，(株)デバイス製の DW3404AV1/O EL/VH ポ
ジショナ・DW3138AV1/O ポジションコントローラ(仰角・偏波切替)であり， 表 1にポジショナの仕様を示す．測定可能周波数の下限は，製造メーカの仕様から 700[MHz]となっている．

(b)EUT の高さが受信アンテナビーム幅外
図1 VCCI の測定方法における EUT の高さと受信アンテナの高さ

17KISTEC研究報告（2018） 2018.10

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送信アンテナ(Tx)受信アンテナ(Rx)(a)送受信アンテナセットアップ
図4(b)送信側のアンテナの配置

測定系のセットアップ

図3 EL/VH ポジショナ(赤枠がポジショナ本体)

表1

EL/VH ボジショナの仕様
偏波切替部

仰角部

全体の寸法

145(W)×127(H)×360(D)[mm]

回転移動範囲0 から 90°10°から－90°

スピード

0.37 から 3.7rpm

3.2 から 8°/秒

分解能

0.1°

偏波切替精度±0.1°

位置決め精度0.2°

質量約 3.9kg

図5 受信アンテナの高さとチルト角を調整

4.2. 使用測定器
本測定に使用した主要な測定器を表 2に示す．

0.2°(－45°まで)

表2 測定器リスト

4. 実験方法
4.1. 実験条件

周波数帯
1-8GHz

FCC/VCCI 技術基 準の方 法等 に準じて ，1[GHz] から18[GHz]のテーブルの影響について測定した(図 4及び図 5を参照)．テーブルは、①発泡スチロール製のテーブル②
FRP 製のテーブル③木製のテーブルの 3 種類を用いた．送信側は小型バイコニカル，受信側はホーンアンテナを使用した．送受信間のアンテナ間の距離は 3[m]とした．送信アンテナ高は床面から 0.9[m]である．送受信アンテナ間のS21 特性(伝送特性)をネットワーク・アナライザで測定した．
キャリブレーション後の S21 特性である CS21 特性は，6-18GHz(CS21 特性)測定器名称
ネットワーク・アナライザ
送信アンテナ(小型バイコニカル)
受信アンテナ(ホーン)
電力増幅器
送信側 ATT
ネットワーク・アナライザ
送信アンテナ(小型バイコニカル)
受信アンテナ
(ホーン)

型名
ZNB8

製造会社
Rohde&Schwarz

SBA9119

Schwarzbeck

BBHA9120B

Schwarzbeck

MLA-0108-B
02-42
10dB
E8363BTSJ

SBA9112Schwarzbeck

MDH0218

マイクロウェーブ ファクトリーELENA= (テーブル設置時の S21) -(テーブル非設置時の S21)
電力増幅器
送信側 ATTと計算した．測定では，次の 2 種類の受信アンテナのパラECS-1505S
10dB

Keysightメータを調整している．

5.

(1)受信アンテナ高 1[m]から 4[m]まで変化(2)受信アンテナのチルト角を固定(水平方向に固定)・調整

データ解析及び電波伝搬に関する理論

本報告での理論的な解析対象は，EMI 測定においてVCCI の測定方法に比較して FCC の測定方法が厳しい条件(送信アンテナ側を向くように自動調整)
尚，送受信アンテナ間の床面には電波吸収体を設置してとなる部分に注目する．図 6の反射波 2 は，電波吸収体を介して反射される電磁波であるために，反射波の電力が少いる．ただし，テーブル周辺の床面には，電波吸収体を設置してない．

なくとも 30[dB]以上の減衰が期待される．他方，ターンテーブル直下の金属面から反射する反射波 1 は，金属面から直接反射して受信アンテナに向かうために強い電磁波とKISTEC研究報告（2018） 2018.1018

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して受信アンテナで受信される．そのために，本報告ではEMI 測定の観点で厳しい条件となりうる直接波及び反射ベル変動を生じることになる．

h0 (t ) + h1 (t ) + 2 h0 (t ) h1 (t )波 1 を取扱う．
また、紙面の関係で厳密な理論的な議論よりも EMI 測2定に対する現象の理解・把握など観点で纏めている．

24 h0 (t ) h1 (t )H ( f ,τ )h0 (t ) + h1 (t ) − 2 h0 (t ) h1 (t )22

周波数
図7 2 パスのマルチパスの周波数方向の変動

ここで，2 パスのマルチパスの影響を確認するために，金属面の反射の損失等がなくて自由空間の損失のみを考慮した場合の 2 パスのマルチパスの CS21 特性を考える．
この場合の CS21 特性は，次式で与えられる．
224d 2
 4πd 0 f    d1 H ( f ,t ) = 
 1 +   + 2 1  cos(2πf∆τ 1 )
cdd   0 0

ただし，d0 は直接波の経路・d1 は反射波の経路・c は光速である．また，Δτ1 は，

図6 理論的な解析の対象(実線部分が対象)∆τ 1 =

5.1. 直接波と反射波の経路情報(遅延プロファイル)報であるチャネルインパルス応答 h(t,τ)と伝達関数 H(f,τ)
は，次の通りに与えられる[1][2]．
(1)

向に向かうこと理解できる．
この関係から受信アンテナ高に対する理論上の周波数

l =0+∞H ( f , t ) = ∫ h(h, t ) exp(− j 2πft )dt−∞= ∑ h(h, t ) exp(− j 2πfl∆t )(7)ることが理解できる．つまり，電磁波の発信源が床面に近い場合には，式(6)から CS21 特性の変動幅が小さくなる方∞∞(d 1 − d 0 )cで与えられる．この CS21 特性は，d0 は直接波の経路・d1は反射波の経路が同一の場合には，CS21 特性が定数にな送信アンテナから受信アンテナまでの複数の経路の情h(t ,τ ) = ∑ hl (t )δ (t − τ l )(6)に対するレベル変動を計算すると図 8に示す結果となる．
図 8の任意の周波数を固定して切出したグラフは，ハイト(2)l =0

ここでは，チャネルインパルス応答が，遅延プロファイパターンと呼ばれる(図 9を参照)．このように式(6)であっても，2 パスのマルチパスの影響により周波数とアンテナルに対応する．一方，伝達関数が CS21 特性に対応する．
本報告で検討するのは，主にターンテーブル付近の電波吸高に対して複雑な応答を示すことが解る．VCCI の測定方
法は，多くの測定対象が受信アンテナ高を固定して測定す収体を設置できない床面による反射波と直接波で発生する 2 パスのマルチパスを想定している．しかしながら，現るケースが多い．また，送信及び受信アンテナ高の関係から，電波吸収体の効果が期待できるために 2 パスのマルチ実にはアンテナマストなどの構造物からも弱い反射が発生している点にも注意を払う必要がある．2 パスのマルチパスの影響は小さくなる．一方，FCC の測定方法では，受信アンテナにチルト角を調整する機構が存在するためにパスの遅延プロファイル及び CS21 特性は，図 8のような複雑な 2 パスのマルチパスの影響を受けることになる．

h(t ,τ ) = h0 (t ) + h1 (t )δ (t − τ 1 )H ( f , t ) = h0 (t ) + h1 (t ) exp(− j 2πf∆τ 1 ) h (t )= h0 (t )1 + 1 exp(− j 2πf∆τ 1 )
 h0 (t )(3)(4)と表される．
2 パスのマルチパスの CS21 特性の絶対値は，次式の通りに表される．
H ( f , t ) = h0 (t ) + h1 (t ) + 2 h0 (t ) h1 (t ) cos(2πf∆τ 1 )222(5)

つまり、反射波によるレベル変動幅は，4 h0 (t ) h1 (t ) の影響を受ける．そのために，反射波の受信レベルに強く依存することが理解できる．VCCI の EMI 測定では，h1 が電波吸収体で吸収される．そのために、h1 が小さくなり 2 パスのマルチパスの影響が小さくなる．
この関係式から FCC の場合には，2 パスのマルチパスの第 3 項の影響により，図 7に示す通りの周波数領域でのレ

図8 受信アンテナ高・周波数に対する CS21 特性

19KISTEC研究報告（2018） 2018.10

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ベル差が大きくなることが解る．また，水平偏波成分が強く影響が表れることも理論的に確認できる．これらの電界強度の差は，主にアンテナパターン及び反射係数で決定される．VCCI の EMI 測定では，受信アンテナ高を 1[m]に固定して測定するケースが多いために，水平偏波と垂直偏波が同程度の影響と考えることができる．
なお，テーブル材質による相違に関しては，誘電体を含む詳細な理論展開が必要であり，紙面の関係で割愛する．

図9 ハイトパターン

5.2. 水平偏波と垂直偏波のレベル差
水平偏波(H)と垂直偏波(V)の相違により，一般に反射波のレベルが異なる．垂直偏波に比較して水平偏波の反射波
図10 反射波の水平偏波と垂直偏波の電界強度の差のレベルが高くなる．この水平偏波のレベルが高くなる要因について説明する．水平偏波及び垂直偏波の本質的なレ

6. 実験結果
6.1. 水平偏波・垂直偏波によるレベル差ベル差が生じるメカニズムについて，理想的なダイポールアンテナを用いて説明する．水平偏波の受信電界強度は，
d12 + ρ h d 02 + 2d 0 d1 ρ h cos(φh − β (d1 − d 0 ))水平偏波と垂直偏波によるレベル差について，実測デー

2E H = 7.0

タの遅延プロファイルを図 11に示す．この遅延プロファ
イルは，EMI 測定で使用される発泡スチロールのテーブル(8)d 0 d1と表される[3]．ただし，β は波数を表す．また，φh は ρh の位相で与えられる．金属面の反射係数 ρh は，次式で与えを使用した場合である．
図 11の遅延プロファイルの結果の相対レベルが‐30られる．

[dB]以下の領域の成分は，測定冶具等の影響で生じたマルチパス成分になる．このマルチパスが生じた部位は，例えρh =sin γ − K − j 60λσ − cos 2 γ

ばアンテナを固定するアンテナマストなどが挙げられる．
また，相対レベルが一定かつ大きいところ(図 11の実線で(9)sin γ + K − j 60λσ − cos 2 γ囲んだエリア)は直接波を表し，相対レベルが変化している部分(図 11の破線で囲んだエリア)は，テーブル付近の金

ただし，γ は大地面への入射角・K は大地面の比誘電率・
σ は大地面の導電率・λ は波長とする．

属床面による反射波を表している．ただし，図 11は直接波の値で受信アンテナごとに正規化している．

一方，垂直偏波の受信電界強度は，
EV = 7.0R

2d + ρ h d + 2d d ρ v cos(φv − β (d1 − d 0 ))61260

3 30 1(10)次に，実測の水平偏波と垂直偏波の遅延プロファイルの反射波の電界強度のレベル差を整理した結果を図 12に示と表される[3]．また，φv は ρv の位相で与えられる．ただし，垂直偏波の場合には，E 面内では顕著な指向性を持つためす．図 11の遅延波の測定結果等から，3.0[m]以下は電波吸収体による反射波の抑圧があることが解る．一方で，に，その指向性を次式で近似して取扱う．
(11)

3.5[m]以上は，電波吸収体による反射波の抑圧されずに大きく受信アンテナで受信される．そのために，EMI 試験に

ただし，R はアンテナ間の水平面の距離である．本報告では，R は 3[m]である．また，金属面の反射係数 ρv は，次おける影響の度合いが大きくなる受信アンテナ高が3.5[m]及び 4.0[m]を比較している．受信アンテナの指向性式で与えられる．
(K − j 60λσ ) sin γ −ρv =(K − j 60λσ ) sin γ +(12)特性は，アンテナに付属している指向性特性を利用している．この結果によれば，ターンテーブルの下の金属面によF (θ ) ≅ sin θ =d 03 d13RdK − j 60λσ − cos γ
2K − j 60λσ − cos 2 γ

式(8)と式(10)の関係から理論上の受信アンテナ高と水り発生する反射波は，FRP のテーブル及び発泡スチロールのテーブルに関しては理論計算値と良い一致を示してい平偏波と垂直偏波の電界強度差の関係を計算すると図 10に示す結果となる(受信アンテナ利得を含まない)．この結る．ただし，発泡スチロール並びに FRP の誘電体による遅延時間は計算に含めていない．ところで，木材のテーブ

果から受信アンテナ高が高くなるに従って電界強度のレルは，理論計算値とギャップが生じていることが解る．こKISTEC研究報告（2018） 2018.1020

【電子技術部】

れは，木材自身及び木材に含まれる水分などの誘電物質が影響を与えていると考えられる．

直接波と反射波が共に評価されるために，VCCI の測定方法に対して FCC の測定方法が厳しい評価条件になる場合

EMI 測定の観点では，送信アンテナ(EUT)の給電点等の電力について，水平偏波と垂直偏波が同レベルである場合がある．
また，測定結果である図 13は，金属面による反射波以外には，水平偏波の影響が大きくなる傾向に作用することに注意を払う必要がある．水平偏波の作用を抑圧するためにのアンテナマストや受信アンテナ高などの高さによる電波伝搬の影響などを全て含んでいる．そのために，2 パス水平面内の等価的なグランドの強化による問題解消などの施策が重要になる．のマルチパス以外の成分も確認することができる．

直接波

反射波

(a)FCC の測定方法(a)水平偏波の場合

直接波(b)VCCI の測定方法

反射波

図13 測定方法の違いと CS21 特性6.3. テーブル材質と CS21 特性
図 14並びに図 15にテーブル材質による CS21 特性の差異を示している．全周波数帯に渡って発砲スチロールの影響が小さいことが図 14及び図 15から確認できる．ただし，FCC の測定方法は，VCCI の測定方法に比較して CS21 特(b)垂直偏波の場合性の変動幅が大きくなっている．また，電波伝搬に関する理論の章で計算したように水平偏波の影響が垂直偏波に比較して大きい事が確認できる．ただし，理論解析の章では，水平偏波として設置しているアンテナが十分に金属面から離れていると想定している．そのために，ターンテーブル上に設置して測定する装置などは，EUT の設置する高さ及び EUT の電磁波の発生源の位置関係に依存して，

図11 FCC の測定方法の遅延プロファイルの実測結果

受信側のアンテナ高:3.5m

水平偏波成分が垂直偏波成分に比較して小さくなる場合受信側のアンテナ高:4.0m も言及しておく．

7.

考察及び今後の展開

電波伝搬等の理論的な考察から床面が金属面(それ以外

図12 受信アンテナ高と反射波の H/V 偏波の差の関係の面は電波吸収体を設置)の環境では，垂直偏波に比較して水平偏波の方が反射波の影響が大きいことを理論的な6.2. FCC の測定方法と VCCI の測定方法の比較
図 13に FCC の測定方法と VCCI の測定方法を比較した測定結果を示す(受信アンテナ高 1[m]から 4[m]の中の最大値)．この測定結果が示すとおりに，FCC 測定方法は，VCCIの測定方法に比較して 2 パスのマルチパスの影響を大きく受けることが解る．そのために，EMI 測定の観点では，観点で確認した．実測の結果も反射波の水平偏波成分が強いことが確認された．
FCC の測定方法と VCCI の測定方法を比較してきた．その結果として，FCC の測定方法 (チルト角と EUT 用テーブルの反射の影響)では，床面の反射と直接波の 2 パスモ21

KISTEC研究報告（2018） 2018.10

【電子技術部】

デル により測定値が変動するマルチパスが発生する．そナ社, (2003)の結果として，発泡スチロールのテーブルがある場合には，水平偏波の 1 から 6[GHz]では，最大 4[dB]程度の影響が発3. AlbertA.Smith, Jretal., “Calculation of Site Attenuation from
Antenna Factors,” IEEE Trans., Electromagnetic Compatibility,

生する．また，6 から 18[GHz]では，最大 5[dB]程度の影響が発生する．

vol.EMC-24, no.3, 1982.

今後は，マイクロ波の評価実績を活用して，ミリ波帯の測定技術及び測定サービスの提供に関して検討していき【外部発表】口頭発表

たい．

(a) FCC の測定方法[水平](b)VCCI の測定方法[水平](c) FCC の測定方法[垂直](d)VCCI の測定方法[垂直]図14 1GHz から 8GHz の CS21 特性(a) FCC の測定方法[水平](c) FCC の測定方法[垂直](b)VCCI の測定方法[水平](d)VCCI の測定方法[垂直]図15 6GHz から 18GHz の CS21 特性【参考文献】
1. W.C.Jakes,”MICROWAVE MOBILE COMMUNICATIONS,” IEEE Presss, (1994).
2. 唐沢好男, “ディジタル移動通信の電波伝搬基礎,” コロKISTEC研究報告（2018） 2018.10221 件(2018/9IEICE ソ大予定)